陈 跃 张永智 张之钰

（1.太原市水利工程质量与安全监督站山西太原030001；2.山西省水利水电勘测设计研究院山西太原030024）

1 混凝土冬季施工相关规范规定的温度条件

《建筑工程冬期施工技术规程》（JGJ/T104-2011）：根据当地多年气象资料统计，当室外日平均气温连续5 d 稳定低于5℃即进入冬期施工；当室外日平均气温连续5 d 高于5℃即解除冬期施工。

《水工混凝土施工规范》（SL677-2014）：日平均气温连续5 d 稳定在5℃下或最低气温连续5 d 稳定在-3℃以下时，应按低温季节施工。

这是因为，当气温低于5℃时，混凝土强度增长明显减缓，5℃条件下养护，其28 d 强度仅能达到标准养护强度的60%。世界各国普遍规定了低温季节混凝土施工的最低日平均气温条件，一般在4℃～5℃之间。

2 冬期施工的主要措施

以混凝土能够达到受冻临界强度为前提，可分别或同时采用以下几类措施。

1）局部改善温度环境。

2）提高混凝土拌和、浇筑温度。

3）减少搅拌、运输、浇筑等环节的热损失。

4）提高养护环境温度（保持必要湿度）。

5）在混凝土中掺加能够降低冻结温度或提高抗冻能力的外加剂。

受冻临界温度系指冬期浇筑的混凝土在受冻前必须达到的最低强度。关于混凝土受冻临界强度的规定，不同的行业针对不同的水泥类型和建筑物设计等级、结构形式、施工部位、受荷条件和拆模时间等，有不同的规定。同时规定了混凝土的最小水泥用量和最大水胶比。

3 混凝土生产和养护方法比较

冬期施工混凝土的拌和设备应在厂房或暖棚内，棚内温度不宜低于10℃，以减少拌合过程中的热损失。冬期拌和混凝土材料的加热，最简便有效的方法是对拌和水加热，应优先选用；当仅加热水仍不满足要求时，可加热骨料。加热水的温度最高可为80℃～100℃，但为了节约能源，应进行热工计算，以确定合适的热水温度。当热水温度高于80℃时，为了防止水泥出现假凝，必须改变投料顺序，即先投骨料和热水待二者换热并降低至40℃以下时方可投入水泥。冬期施工混凝土的搅拌时间应延长50%。拌和设备在使用前和结束后应用热水冲洗。

冬期施工混凝土原材料要求：砂石骨料应有足够的堆高，堆放场地应稍高、不积水，并应有防冰雪和冻结的措施。有条件的应采用地垄取料。水泥宜提前运入暖棚内待用。

有条件时，冬期混凝土养护应优先采用蓄热法、综合和蓄热法。

蓄热法。混凝土浇筑后，利用原材料加热以及水泥水化放热，并采取适当保温措施延迟混凝土冷却，以使混凝土温度降到0℃以前达到受冻临界强度。

综合蓄热法。掺早强剂或早强型复合外加剂的混凝土浇筑后，利用原材料加热以及水泥水化放热，并采取适当保温措施延迟混凝土冷却，以使混凝土温度降到0℃以前达到受冻临界强度。

在蓄热法的基础上，混凝土中掺入防冻剂，以使其在负温条件下能够不断硬化，在混凝土温度降低到防冻剂规定温度前达到受冻临界强度（称为负温法）的方法也可使用。

混凝土构件或结构不大时，可将其置于搭设的暖棚中，内部设散热器具、电热或火炉等加热棚内空气，使混凝土处于正温环境下养护。棚内温度宜为5℃～10℃，并须使混凝土表面保持湿润。

4 混凝土拌和的热工计算

在构成混凝土的材料中，水的比热容是最大的，常温下约为4.20 kJ/（kg·℃），其他材料如石子、砂、水泥（含掺和料粉煤灰、矿粉等）均小于0.92 kJ/（kg·℃）。因此，水同其他材料的比热容的比例约为4.57∶1，也就是说，通过热交换，热水每降低1℃可以使同等质量的骨料温度升高4.6℃，或热水每降低1℃可以使4.6 倍质量的骨料升高1℃。水的加热比较简便，其设施可以是锅炉，也可以使用炉火加钢制水箱。所以说，加热水是冬期混凝土施工最简便有效的方法。

但是，也正因为水的这一特性，如果骨料中含有水，会对加热水的效用产生抵消作用，因此，必须尽可能降低骨料的含水率，尤其不得含有冰块、雪团。但是，骨料温度低于0℃时，固态水（冰）转变为液态还须消耗大量的溶解热，该项数值相当于水升高或降低80℃时吸收或放出的热量，对拌合水的降温作用影响很大，必须重视。

SL677 规范规定，原材料的加热、输送、储存和混凝土的拌和、运输、浇筑设备设施及浇筑仓面，均应根据气候条件通过热工计算，采取适宜的保温措施。低温季节混凝土施工的热工计算较为繁复，涉及各种材料的质量、温降或温升、骨料含水率、固态水的溶解热，以及材料的比热容等参数，需要考虑拌和、运输、入模等过程（环境）中热损失和钢筋温差引起的热损失等。

以往使用的热工计算公式，按照从拌和、出机、运输与输送到浇筑完成来依序计算。但实际使用中，往往需要根据养护条件先确定一个合适的浇筑温度，再加上运输与输送、出机等热损失的基础上，根据混凝土拌和物储存条件，计算拌和用水的加热温度。这样做，比较经济、节能。为此，本文对混凝土拌和过程中物料热交换和热平衡计算进行分析，提出推求混凝土拌合加热水温度的计算公式（出机、运输与输送、浇筑完成的计算与以往相同）。

计算分为骨料等固体物料温度不低于0℃和≤0℃两种情况进行。

上述两种情况下构成混凝土拌和物热交换模式见图1、图2。

1）骨料温度高于0℃但低于T0时的计算：

第一步：根据生产过程安排，先确定混凝土拌和物的目标温度T0，然后求拌和水在拌和（放热）过程中的温度降低值ΔTw。如下式：

图1 骨料温度＞0℃热平衡三维图

图2 骨料温度≤0℃热平衡三维图

第二步：求得拌和水加热温度Tw。

2）骨料温度低于0℃时的计算：

计算拌和水在拌和（放热）过程中的温度降低值ΔTw，在此，应计入固态水（冰）的熔解热。如下式：

然后求得加热后的拌和水温度Tw。

上述各式中：

Tw——加热后的拌和水温度，℃；

ΔTw——水在拌和（放热）过程中的温度降低值，℃；

T0——混凝土拌和完成后的温度，℃；

mce、ms、msa、mg——水泥、掺合料、砂、石等固体物料的质量，kg；

Tce、Ts、Tsa、Tg——水泥、掺合料、砂、石等固体物料的温度，℃；

ωsa、ωg——砂、石中的含水率，%；

mw——需加热的拌和水量（混凝土配合比水量减去砂、石中的含水量）；

式中0.92、4.2 和2.1 分别为固体物料、水和冰的比热容（kJ/（kg·℃）），335 为冰的溶解热（kJ/kg）。

混凝土配合比中的外加剂应以液态或溶液形式加入，由于外加剂种类繁多，其比热容等数值不易确定，且其含量较小，在（式1）、（式3）中近似按比热容0.92 kJ/（kg·℃）计入固体物料中。

3）在比较选定施工技术方案时，为了大致确定加热水温度，可以使用以下简易计算（近似）方法。

简易计算方法关系式为：

拌和水温度≥（0.219×固、水比）×（拌和物温度-固体物料加权平均温度）+拌和物温度

骨料温度低于0℃时，需在上述计算基础上再增加约10℃。

此处所指的固、水比系指水泥、砂、石、粉煤灰等固体材料总和同拌和用水的质量比。0.219 系固体材料同水的比热容之比。

混凝土配合比中，砂和石子约占固态物料比重的80%以上，且其存放条件相同；水泥温度虽然可能稍高于砂石，但计算固态物料的加权平均温度时，近似采用砂石料温度不会造成太大误差。正常条件下，砂的含水率一般不大于2%，石子的含水率不大于0.5%，正温之下，对水温的影响不超过1℃，因此近似计算时可不考虑该项。但在温度为零下时，该因素就凸显，故水温需增加约10℃。

考虑到在平均气温低于-20℃时，施工设备、建筑材料及施工各环节出现问题的几率成倍增加，SL677-2014 规范规定，日平均气温-20℃以下不应施工。

5 工程实例

山西省万家寨引黄工程南干线1#隧洞衬砌混凝土冬期施工。

1995年11月，万家寨引黄工程南干线1#隧洞混凝土衬砌进入冬季施工期，当时隧洞衬砌已经推进到洞内约300 m 处，洞内温度约为8℃。在研究冬季混凝土施工方案时，时任总监的笔者力主采用加热水的方法以提高混凝土的浇筑温度，并进行了混凝土配合比物料的热平衡计算，以证明其经济性和可行性。南干线1#隧洞洞口地面开阔平坦，施工条件很有利。实施过程为：隧洞洞口约10 m 处搭设拌和暖棚，棚内布置0.4 m3搅拌机、加热火炉和钢制水箱，还可堆放外加剂和部分袋装水泥。棚内温度6～8℃，进出口设门帘。隧洞口亦设草帘门。砂和石子在暖棚外堆放。衬砌混凝土设计标号为200#，使用大同400# 普硅水泥。到1996年1月天气最冷时，日最低气温曾经达到-34℃（监理部自设气象观测哨数据），砂石骨料温度降低到约-20℃（水泥温度稍高），当时将水加热到80℃，可以使混凝土入仓温度达到5～6℃，基本满足当时的规范要求。该工程实例说明，提高混凝土拌和水温度是经济且高效的。

在对该工程混凝土养护期温度变化过程观测中，还发现了一个有趣的现象，就是当混凝土入仓温度达到12℃以上时，水化热温升较为迅速，强度增长快，而入仓温度较低时，混凝土温升很慢。据此认为，混凝土入仓温度不低于12℃可能是有利的。